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dc.contributor.advisorOlaizola, S.M. (Santiago M.)-
dc.contributor.advisorAyerdi Olaizola, I. (Isabel)-
dc.creatorSánchez-Martín, S. (Sergio)-
dc.date.accessioned2022-05-06T11:50:33Z-
dc.date.available2022-05-06T11:50:33Z-
dc.date.issued2022-04-06-
dc.date.submitted2022-04-01-
dc.identifier.citationSÁNCHEZ, Sergio. "Development of a thin film growth system to produce nanostructures through laser interference." Olaizola, S. y Ayerdi, I. (dirs.) Tesis doctoral. Universidad de Navarra, Pamplona, 2022es_ES
dc.identifier.urihttps://hdl.handle.net/10171/63440-
dc.description.abstractThis thesis seeks to initiate an innovative process paradigm for the production of dense arrays of identical nanostructures of precise size, shape, and composition by overcoming all the limitations of conventional nanostructuring. The combination of light-based material structuring, with the advantages of a state-of-the-art thin film growth technique, provides a single step, cost-effective and up-to-date capability for next-generation ordered arrays of nanostructures. New methods to achieve such structures are a vital requirement for the exploitation of devices at the nanometer regime. In our approach, we have developed a system that combines interferometric light patterning with Aerosol Assisted Chemical Vapor Deposition (AACVD). To merge these two techniques, a multidisciplinary setup is required. The system is divided into independent modules that have been designed to complete the hardware, which are; pulsed laser, aerosol generator, beam delivery optics, and reactor. Every single subsystem is defined so it can be easily changed to meet the different needs of each of the processes that have been developed. Therefore, different subsystems must be assembled and validated for the three different processes targeted in this thesis. Firstly, for the AACVD of thin films, the reactor chamber and the gas system are integrated. To validate the deposition technique, Zinc Oxide (ZnO) thin films have been grown. The effects of deposition parameters, such as aerosol flow or substrate temperature are studied, showing a wurtzite crystallization in all cases (from 350 ºC to 400 ºC), of which the one with a higher preferential orientation along the c-axis are the grains grown at 375 ºC. From the growth kinetics study, it is extracted that the activation energy of the aerosol assisted chemical reaction is 1.06 eV. Furthermore, ZnO thin films have been optically and electrically characterized. Secondly, nanosecond lasers have been used to assist the chemical reaction of the AACVD. The laser-matter interaction has been studied through two thermal models, one to study the single pulse thermal effect at the nanosecond scale and the second one to study the thermal accumulation produced by the train of pulses. The thermal accumulation results are corroborated by experimental measurements. When including the AACVD technique in the setup, the laser produces local reaction processes that provide energetically favorable sites for the nucleation or structure of the material. Initial experimental results of the performance of this innovative technique are described in which the temperature stability has distinguished itself as the principal technology limiter. Subsequently, precision laser interference optics and state-of-the-art pulsed lasers have been integrated within materials reactors to produce concentrated light patterns with a pitch of fractions of the laser wavelength. Two lasers with different wavelengths (355 nm and 1064 nm) have been used together with two interference optics approaches. With the 355 nm laser, the light pattern induces local photothermal modifications on the grown surface creating nanostructures. The nanostructures show a concordance between theoretical and experimental periods, 792 nm and 800 nm respectively. The dependence of the height of the nanostructures on the number of pulses follows the Marangoni theory developed for this kind of processes. Gold nanostructured thin films have also been achieved using the LI+AACVD technique, completing one-step processing, which supposes an improvement of the previous similar nanocorrugation techniques. Finally, gas sensor devices to detect NO2 have been developed as an application for the nanostructured ZnO thin films. The nanostructured ZnO-based sensors offer several key advantages compared to the only annealed sensors, such as more responsivity, room temperature gas detection, reduction of the baseline resistance, and improvement of NO2 measurements in wet conditions. Therefore, nanostructured ZnO-based sensors are a step forward for the next generations of NO2 gas detectors.es_ES
dc.description.abstractEsta tesis busca iniciar un paradigma de procesos innovadores para la producción de matrices de nanoestructuras con idéntico tamaño, forma y composición, superando todas las limitaciones de la nanoestructuración convencional. La combinación de la estructuración de materiales basada en la luz, con las ventajas de una técnica de crecimiento de película delgada de última generación, proporciona un proceso de un solo paso, rentable y actual para matrices ordenadas de nanoestructuras. Los nuevos métodos para lograr tales estructuras son un requisito vital para la explotación de dispositivos en el régimen nanométrico. Bajo nuestro enfoque, hemos desarrollado un sistema que combina el patrón de luz interferométrica con la deposición de vapor químico asistida por aerosol (AACVD). Para combinar estas dos técnicas, se requiere una configuración multidisciplinaria. El sistema se divide en módulos independientes que han sido diseñados para completar el hardware, los cuales son; láser pulsado, generador de aerosol, óptica de emisión de haz y reactor. Cada uno de los subsistemas está definido de tal forma que pueda modificarse fácilmente para satisfacer las diversas necesidades de cada uno de los procesos que se han desarrollado. Por lo tanto, se deben ensamblar y validar diferentes subsistemas para los tres procesos diferentes que se abordan en esta tesis. En primer lugar, para la AACVD de películas delgadas, el reactor y el sistema de gas están integrados. Para validar la técnica de depósito, se han desarrollado películas delgadas de óxido de zinc (ZnO). Se estudian los efectos de los parámetros de deposición, como el flujo del aerosol o la temperatura del sustrato, mostrando una cristalización en forma de wurtzita para todos los casos (de 350 ºC a 400 ºC), de los cuales los granos crecidos a 375 ºC muestran orientación preferencial alta a lo largo del eje c. Del estudio de la cinética de crecimiento, se ha extraído que la energía de activación de la reacción química asistida por aerosol es de 1,06 eV. Además, las películas delgadas de ZnO han sido caracterizadas óptica y eléctricamente. En segundo lugar, se han utilizado láseres de nanosegundos para ayudar a la reacción química del AACVD. La interacción láser-materia se ha estudiado a través de dos modelos térmicos, uno para estudiar el efecto térmico de único pulso en escala de nanosegundos y el segundo para estudiar la acumulación térmica producida por el tren de pulsos. Los resultados de la acumulación térmica son corroborados por mediciones experimentales. Al incluir la técnica AACVD en la configuración, el láser produce procesos de reacción locales que proporcionan sitios energéticamente favorables para el deposito del material. Se describen los primeros resultados experimentales del funcionamiento de esta innovadora técnica en la que la estabilidad de la temperatura del proceso se ha destacado como el principal limitador de esta novedosa tecnología. Posteriormente, óptica de interferencia láser de precisión y láseres pulsados de última generación se han integrado junto con el reactor para producir patrones de luz concentrados con un paso de fracciones de la longitud de onda del láser. Se han utilizado dos láseres con diferentes longitudes de onda (355 nm y 1064 nm) junto con dos sistemas ópticos. Con el láser de 355 nm, el patrón de luz induce modificaciones fototérmicas locales en la superficie crecida creando nanoestructuras. Las nanoestructuras obtenidas muestran una concordancia entre el periodo teórico y experimental, 792 nm y 800 nm respectivamente. La dependencia de la altura de las nanoestructuras con el número de pulsos sigue la teoría propuesta por Marangoni para este tipo de sucesos. También se ha logrado nanoestructurar capas delgadas de oro mediante la técnica LI+AACVD, consiguiendo un procesado de un solo paso, lo cual supone una mejora de las anteriores técnicas similares de nanocorrugación. Finalmente, se han desarrollado sensores de gas para detectar NO2 como una aplicación para las películas delgadas de ZnO nanoestructurado. Los sensores basados en ZnO nanoestructurado ofrecen varias ventajas frente a los tratados termicamente, como una mayor capacidad de respuesta, detección de gas a temperatura ambiente, reducción de la resistencia de referencia y mejora de las mediciones de NO2 en condiciones de húmedad.es_ES
dc.language.isoenges_ES
dc.publisherServicio de Publicaciones. Universidad de Navarraes_ES
dc.rightsinfo:eu-repo/semantics/openAccesses_ES
dc.subjectAerosol Assisted Chemical Vapor Deposition (AACVD).es_ES
dc.subjectLaser Chemical Vapor Deposition (LCVD).es_ES
dc.subjectLaser Interference (LI).es_ES
dc.subjectZinc Oxide (ZnO).es_ES
dc.subjectMetal Oxide Semiconductor (MOS) sensors.es_ES
dc.subjectNitrogen dioxide (NO2).es_ES
dc.titleDevelopment of a thin film growth system to produce nanostructures through laser interference.es_ES
dc.typeinfo:eu-repo/semantics/doctoralThesises_ES
dc.identifier.doi10.15581/10171/63440-

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